Световой передел: сверхмощные солнечные батареи помогут освоить дальние планеты
- Статьи
- Наука и техника
- Световой передел: сверхмощные солнечные батареи помогут освоить дальние планеты
Российские исследователи обнаружили новые физические механизмы, которые многократно усиливают показатели преломления света в наночастицах. Это открывает путь к созданию принципиально новых устройств в самых разных областях. В частности, результаты могут лечь в основу солнечных панелей четвертого поколения с рекордным коэффициентом полезного действия — таких, которые позволят эффективно работать даже в удаленных от Солнца районах космоса. Кроме того, выявленные эффекты создают основу для разработки недорогих гибких дисплеев, «умных» окон нового типа и высокоточных медицинских датчиков.
Как оптические дефекты улучшаю свойства материалов
Ученые из Казанского федерального университета (КФУ) разработали новый способ управления свойствами материалов с помощью искусственных дефектов. Метод может стать базой для прорывных разработок в сфере солнечной энергетики, миниатюрной электроники, высокоточных датчиков и сверхчувствительных сенсоров.
В основе — взаимодействие света со структурами нанометрового масштаба — квантовых точек, нанокристаллов, тонких пленок и других подобных объектов. Исследователи показали, почему при уменьшении материала до сверхмалых размеров на его краях и в местах с нарушенной структурой частицы света воздействуют на электроны особым образом.
— Традиционно дефекты рассматривали как нечто нежелательное, ухудшающее их свойства. Однако в последние годы всё больше исследований, которые показывают, что нарушения внутренней структуры материала, если научиться ими управлять, помогут развить технологии нового поколения, — рассказал «Известиям» заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики КФУ, профессор Сергей Харинцев.
Он пояснил, что в микроскопических объектах при воздействии светом (например, лазерным лучом) возникают более сложные, чем в обычных материалах, эффекты. Структуры ограниченного размера как бы придают электронам дополнительные «толчки», что позволяет им взаимодействовать с фотонами по-другому. Это, в частности, увеличивает концентрацию свободных зарядов в зоне проводимости и обеспечивает рост показателя преломления — то есть изменения направления распространения света.
— Мы исследовали это на примере золотых частиц размером меньше 5 нм. Оказалось, что их способность преломлять свет возрастает. Особенно в условиях резонанса (когда частота света совпадает с частотой колебаний электронов в частице) этот показатель может увеличиться в 10 и более раз. Также происходит усиление в более широком диапазоне. Кроме того, наблюдаются и другие эффекты, которые вместе приводят к увеличению показателя преломления, — сообщила инженер кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Элина Батталова.
По ее словам, высокий показатель преломления в наноматериалах открывает путь к созданию целого ряда перспективных изделий. Например, прозрачных электродов. Их можно использовать для дисплеев в «умных» очках или гибких смартфонах, а также в медицинских датчиках, которые крепят на коже. Также эти разработки помогут в создании окон, которые самостоятельно регулируют количество света и тепла, поступающего в помещение.
Солнечные батареи нового поколения
Другое направление, где могут быть востребованы открытые эффекты, — это создание солнечных батарей нового поколения. Возможно, они смогут преодолеть предел Шокли – Квайсера — теоретически рассчитанный максимальный коэффициент полезного действия для преобразования световой энергии в электричество. Для кремниевых солнечных батарей этот показатель составляет 32%, рассказала специалист.
По мнению исследователей, такие панели, в частности, расширят возможности космических аппаратов и позволят даже небольшие зонды и спутники оснастить мощными научными приборами. Помимо этого, они увеличат срок их службы и помогут совершать длительные миссии вдали от Солнца. Например, к дальнем планетам.
— Описанные эффекты, действительно, открывают новые пути для инженерии оптики и фотоники в качестве инструментов, которые усиливают взаимодействие между светом и материей. Такие технологии увеличат КПД солнечных батарей путем снижения доли отраженного света и паразитного поглощения, — рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Павел Гостищев.
Вместе с тем для перехода к практическому применению необходимо масштабировать хорошо воспроизводимую технологию синтеза наночастиц и дефектных структур, в которых проявляются открытые эффекты. Также нужно разработать технологию их внедрения непосредственно в солнечные элементы, добавил специалист.
В настоящее время ученые изучают способы повышения эффективности солнечных батарей, отметил он. Однако превышение предела Шокли – Квайсера и создание «четвертого поколения» солнечных батарей требуют не только необычно высокого показателя преломления, но и тщательного учета оптических потерь, стабильности устройств и возможностей масштабного производства.
— Ученые КФУ получили результаты, которые могут сыграть важную роль в технологиях будущего. Например, открываются возможности для оптического управления электронами в кремниевых транзисторах, размеры которых приближаются к субнанометровому масштабу. Это станет новым шагом в развитии вычислительной техники. Также открытые эффекты будут востребованы в устройствах быстрой и точной проверки качества кремниевых пластин для микрочипов, — рассказал «Известиям» исполняющий обязанности директора Института физических исследований и технологий РУДН Николай Кравченко.
В то же время, чтобы перевести научные разработки из лаборатории в реальные продукты, необходимо проработать коммерческую сторону вопроса — понять, кто станет потребителем, найти источники финансирования дорогостоящих исследований и установить контакты с индустриальными партнерами, добавил он.
